钢结构复杂节点自动装配系统设计

廉 正 旭

(山西潞安工程有限公司，山西 长治 046204)

随着施工技术的不断进步，钢结构建筑的规模不断增大，建筑物的功能日益丰富，施工难度也越来越高。在钢结构建筑物的建设过程中，节点加工是关键环节之一，想要保证建筑物的质量和安全，就一定要确保节点的安全可靠，由于如今钢结构建筑物的实际结构日益复杂，因此节点也越来越复杂，节点装配难度也越来越高，在此背景下，有必要进一步探讨钢结构复杂节点自动装配系统的设计方法，以促进节点装配效率，提高装配精度。

1 工程实例

某钢结构建筑物，屋盖的平面尺度较大，该建筑物属于钢管桁架结构，在密排的菱形桁架体系之下，布有十分复杂的结构构件，汇交杆件数量较多，同时汇交杆件的钢管截面规格较大，整个建筑物中的节点构造特别复杂。另外在本次工程中，节点设计原则主要为“节点与构件等强”，其目的就是为了保证建筑物在使用过程中的质量和性能，保证节点不会在构件破坏之前发生破坏，考虑到该工程中节点构造复杂，节点形式比较多样，并且在设计方法方面，尚且没有比较明确的规定，因此为了保证钢结构建筑物工程的质量安全，设计人员在设计节点时，严格进行试验和计算，以确保设计方案的合理性。另一方面，本次工程中独立节点共计有200个左右，而且不同节点的支腿扭曲角度、支腿连接方向都存在一定的差异，在加工节点时不能够使用相同的模具或者工装，如果使用铸钢节点，各节点均需要独立的模具，那么不仅成本较高，并且模具重复利用率低，浪费资源，如果采用焊接节点，各节点均需要独立的工装，而且需要手工定位，因此装配效率过低，成本较高，定位精度偏差，为了节约资源，提升节点装配精度，减少能耗，最终经过反复研讨，本次工程中还开发了钢结构复杂节点自动装配系统，经过实验验证，本次自动装配系统的装配比较良好，本文在此以该项目中某一型号的空间钢结构节点为例，研究钢结构复杂节点自动装配系统的设计策略。

2 自动装配系统的设计

在钢结构建筑物中，节点就是空间桁架的连接枢纽，通过一系列的焊接，进而形成完整的建筑结构，本次工程中，某型号节点的三维模型如图1所示。

该节点单个重量为130 kg，上面和下面均为六边形平板，共外延六个支腿，所有支腿的截面均是矩形方管口，但是六个支腿的位姿有所不同，上面的六边形平板与下面的六边形平板空间错位。为了确保矩形方管口的形状符合要求，因此六个支腿的上表面以及下表面都要作为过渡曲面，并且形状各异，这样就导致节点加工更加复杂。

按照节点的基本特点，首先应构建自动装配系统的理论模型，本次工程中，某型号节点的自动装配系统理论模型如图2所示。

在图2中，系统的左侧部分主要是方位回转机构，能够旋转360°，此部分主要是作为自动装配系统中的工作平台，而系统的右侧部分则主要是5自由度机构，具有定位板和机械手，能够为节点提供支腿标准位姿，此部分主要是作为节点支腿的焊接工装，同时在自动装配系统中，是以定位板作为末端执行器。

自动装配系统具有6个自由度，换言之，系统中具备6个运动关节，主要由转盘机构、平行机构、旋转机构以及底座构成。其中平行机构的设计采取模块化设计，主要由电机(200 W)、导向支撑座、涡轮减速器、丝杠、轴承座、滑台等部分构成，通过平行机构可以实现预装机的X,Y,Z轴向运动，移动速度在6 mm/s左右，行程在350 mm左右。旋转机构主要由涡轮减速器、连接板、电机、靠山板等部分构成，转动速度在2°/s左右，行程在-20°～20°的范围内。转盘机构主要由转盘、电机、定位夹具等部分构成，旋转速度2.5°/s左右，旋转行程在0°～340°范围内。

3 实验验证

首先设定自动装配系统的各项结构参数，之后采集节点各支腿的空间姿态，通过正、逆解算法进行计算，进而得出节点支腿各个机械关节的位移理论值以及旋转角度理论值，计算结果如表1所示。

表1 节点支腿各个机械关节的位移理论值以及旋转角度理论值

采取点位控制法，充分利用伺服电机精度高、可控度高等优势，通过自动装配系统来实现支腿空间位姿，经过测量获取各关节的实际运动数据，计算各关节位移量，具体计算结果如表2所示。

表2 各关节位移量计算结果

通过比较表1以及表2中的数据可知，各关节位移量与理论值十分接近，因此可以说明，本次自动装配系统的装配精度比较良好，具有实用性。

4 结语

当今人们对建筑物质量、功能、美观性、安全性的要求不断提高，因此钢结构建筑物的实际结构日益复杂，同时节点也越来越复杂，这给节点装配工作带来了严峻的挑战，本文在此结合工程实例，分析了钢结构复杂节点自动装配系统的设计方法，经过实验验证可知，本次自动装配系统的装配精度比较良好，具有实用性。希望本文内容可以为相关工作开辟思路，未来如何进一步改善钢结构复杂节点自动装配系统的装配精度，还需要广大同仁继续探索。